На службе у войны: негласный союз астрофизики и армии - Тайсон Нил Деграсс

Много написано о создании атомной бомбы. Отношения между физикой и войной ясны: политический лидер и генерал хотят создать угрозу для врага или уничтожить его; разрушение требует энергии; физик – эксперт по вопросам материи, движения и энергии. Бомбу изобретает именно физик. Но, чтобы поразить цель, необходимо указать ее точное местоположение, однозначно ее идентифицировать и отслеживать, если она движется. Здесь в игру вступает астрофизика. Астрофизики в ней не являются ни главными действующими лицами, ни их сообщниками – они играют роль пособников войны. Мы не проектируем и не изготовляем бомбы. Мы не рассчитываем величину ущерба, который нанесет взрыв бомбы. Мы занимаемся расчетом того, как звезды нашей галактики саморазрушаются путем термоядерных взрывов, – и эти вычисления могут помочь тем, кто разрабатывает и делает термоядерные бомбы.

Сфера нашей деятельности огромна. Мы понимаем в траекториях и орбитах, и поэтому без нас не обойтись при запусках и космических кораблей, и космического оружия. Мы мастера в искусстве и технике анализа изображений, особенно на пределе чувствительности аппаратуры, – и вот наши методы оказываются жизненно необходимыми для наведения на цель и интерпретации размытых и искаженных изображений. Мы разбираемся в отражении и поглощении света, поэтому на наших работах основана вся индустрия «самолетов-невидимок». Мы можем отличить астероид от спутника-шпиона по разности длин волн света, который они поглощают и отражают. Мы можем распознать – по их излучению – молекулы, из которых состоят те или иные небесные тела. Мы сможем первыми заметить вторжение пришельцев, если они внезапно появятся вблизи нашей планеты. Мы умеем распознавать спектральные признаки естественных явлений: столкновений, взрывов, ударов, магнитных бурь, ударных волн и звуковых хлопков – и способны отличить эти признаки от искусственно вызванных явлений, возможно, опасных и катастрофических.

И делает ли астрофизик свою работу по заказу военных или во имя науки, инструменты и методы его одни и те же.

После стремительного полета, оставив позади десятки, сотни или тысячи световых лет, луч света от далекой звезды входит в нижние слои земной атмосферы. Спустя еще микроскопическую долю секунды наблюдатель видит его в окуляр телескопа как бесформенное пляшущее пятнышко; простым же глазом он видит мерцающую далекую искру на темном небе. Еще в 1704 году сэр Исаак Ньютон уже беспокоился о том, что это мерцание помешает астрономам будущего:

Если бы теория изготовления телескопов и могла со временем полностью перейти в практику, то существовали бы, однако, определенные границы, за которыми невозможно дальнейшее совершенствование телескопов, ибо воздух, через который мы смотрим на звезды, находится в постоянном дрожании, как это можно видеть <…> по мерцанию неподвижных звезд[240].

Далее Ньютон предполагал, что хорошим местом для установки телескопа может быть вершина горы, и он был прав. Но даже при наилучшем выборе места установки атмосфера продолжает вредить. Роберт В. Даффнер, историк оптики в научно-исследовательской лаборатории ВВС в Нью-Мексико, сравнивает наблюдения звезд сквозь атмосферу с наблюдением предметов через замерзшее стекло или занавеску в душевой: вы видите приблизительные формы, но никаких подробностей.

Что происходит, когда звезда мерцает? Атмосфера представляет собой мозаику воздушных ячеек, имеющих различную температуру и плотность, а следовательно, и оптические свойства. Каждый раз, когда световой луч переходит из одной ячейки в другую, он немного изгибается и меняет направление. Похожая картина возникает, когда череда мелких волн на воде набегает на беспорядочно разбросанную гряду камней, которые искажают ровный фронт каждой волны – и к берегу эта волна подбегает в виде ряда изломанных участков разной высоты и направления. Так и наша колеблющаяся атмосфера заставляет изображение звезды не только хаотически смещаться в разные стороны, но и постоянно менять яркость. Серия сделанных с большой частотой последовательных фотографий запечатлеет расплывчатое круглое пятно; ваши глаза увидят мерцающую звезду. При сильной турбулентности воздух заполняется множеством маленьких ячеек, и звезды начинают бешено мигать.

Хорошо бы придумать способ компенсации искажений, которые турбулентные ячейки в атмосфере вносят в свет звезд. Это все равно что восстановить первоначальную картину волн на воде после того, как они прошли через каменную гряду. Чтобы сделать это со светом, придется записывать его сотни раз в секунду, причем каждый раз вам понадобится достаточно света, чтобы одновременно отслеживать и корректировать любые происходящие в атмосфере изменения. Поэтому для того, чтобы обеспечить такую коррекцию в непосредственной близости от исследуемого вами объекта, вам нужна яркая опорная звезда – чтобы на ее лучи воздействовали те же турбулентные ячейки в атмосфере, что в то же самое время действуют и на лучи от объекта. Но ведь таких звезд на небе очень мало, и крайне маловероятно, чтобы одна из них оказалась в нужном нам маленьком участке неба. Что же делать? Создать «искусственную звезду». Послать мощный лазерный пучок далеко за пределы стратосферы, где турбулентность минимальна и есть постоянно пополняющийся за счет испарения метеоров запас атомов натрия. Стоит только возбудить атомы натрия и заставить их светиться – и на ночном небе, в том месте, в каком вы пожелаете, загорится яркая точка.

До 1990-х любой, кому требовалось добиться высокого углового разрешения при наблюдении звездного поля или галактики сквозь турбулентную пелену атмосферы, располагал двумя очевидными возможностями. План А: закрыть купол телескопа и лечь спать. План Б: найти несколько миллиардов долларов, построить новый телескоп, запустить его на космическую орбиту за пределы атмосферы и наблюдать Вселенную оттуда. В 1990 году реализация плана Б привела к созданию космического телескопа Хаббла, который произвел такой же поразительный скачок в разрешении по сравнению с наземными телескопами того времени, каким был скачок от наблюдений невооруженным глазом к первому телескопу Галилея.

Рассмотрим теперь менее очевидный по сравнению с планами А и Б способ справиться с проблемой мерцаний. Добро пожаловать в мир адаптивной оптики. Этот новаторский метод основан на использовании лазерных «искусственных звезд» и гибких деформируемых зеркальных поверхностей для коррекции нежелательных искажений, внесенных земной атмосферой. Матрица плунжеров-толкателей, установленная с тыльной стороны деформируемого зеркала телескопа, непрерывно регулирует точную форму поверхности зеркала: корректирует переменную атмосферную турбулентность, устраняя атмосферные неоднородности волнового фронта, возникающие при переходе от одной турбулентной ячейки к другой и от одного момента времени к следующему. Все системы адаптивной оптики, кроме основного гибкого зеркала, содержат и вторичное, жесткое – для отслеживания и коррекции смещения изображения как целого в результате более крупномасштабных движений в атмосфере и самом телескопе. В качестве необходимых компонентов в систему адаптивной оптики входят светоделители, интерферометры, камеры слежения и, конечно, специализированные компьютерные программы. Все это вместе чрезвычайно дорого и сложно. Но и поразительно эффективно: четкость наземных изображений может соперничать с четкостью изображений, полученных в космосе[241].

Кто же воплотил идею адаптивной оптики в жизнь? Астрофизики? Нет! Но не потому, что они недостаточно к этому стремились. Еще в 1950-х они уже разработали ее основную концепцию и потенциальные решения. Но пока они искали возможности их реализации, Министерство обороны США уже получило секретные результаты секретных исследований, финансируемых и проводимых с конца 1960-х до конца 1980-х такими организациями, как Управление перспективного планирования оборонных научно-исследовательских работ США, Научно-исследовательская лаборатория ВВС и Лаборатория Филлипса на базе ВВС Киртланд в Нью-Мексико, Оптический центр ВВС Мауи, предприятие Itek Optical Systems близ базы ВВС Хэнском в Массачусетсе, Центр ВВС по разработке авиационной техники в Нью-Йорке, Лаборатория Линкольна MIT, Лаборатория проблем видимости в Институте Океанографии Скриппса и Стратегическая оборонная инициатива. Дополнительную интеллектуальную поддержку оказывала совершенно секретная группа ученых советников по вопросам национальной безопасности, известная под названием «Джейсоны». Созданная в 1960 году и состоящая из «мак-артуровских гениев»[242], нобелевских лауреатов и выдающихся академических физиков, группа «Джейсонов» обеспечивает военных ультрасовременными идеями о том, как вести войну, как ее закончить и как предотвратить. И с самых первых летних встреч «Джейсонов» среди них всегда находилось несколько участников, чьей специальностью было изучение космоса.